Comparação entre os processos de ultrafiltração e micro seguida de ultra para
concentração da vinhaça.
Comparison between ultrafiltration process and micro followed by ultra to concentrate
vinasse.
Maria Thereza de Moraes Santos GomesI; Kaliana Sitonio EçaII; Luiz Antonio ViottoIII
I
Mestranda em Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP.
Departamento de Engenharia de Alimentos, Rua Monteiro Lobato, 80 - Caixa Postal 6121 CEP: 13083-862, Campinas/SP.
E-mail: [email protected]
II
Mestranda em Engenharia de Alimentos, Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP.
E-mail: [email protected]
III
Professor Doutor do Departamento de Engenharia de Alimentos da UNICAMP.
E-mail: [email protected]
Resumo
The application of vinasse on sugar cane plantations as fertirrigation is a practice
widespread among alcohol distilleries in Brazil. Due to technical guidelines P4.231 the sugar
cane sector has been prepared to carry the vinasse to long-distance areas. Inside this
context, the objective was to study the concentration of vinasse through the clarification
using MF followed by UF and UF directly. The process was carried out in a laboratory unit at
60ºC and 500 rpm. For MF, the polymeric membrane used was Cellulose 100 kDa, at 1,8 bar
until concentration factors (CF) of 4. Its permeate was subjected to UF, wich a 10kDa
molecular weight cut off Cellulose membranes were evaluated, under three pressure
conditions, 3, 4 and 5 bar until CF of 2. The process effectiveness was evaluated by the
permeate flux, total solids and potassium concentration. Results show that the clarification by
MF followed by UF had little changes on total solids retention, but is quite effective to prepare
the permeate for concentration by UF resulting in high fluxs. This treatment is interesting for
next stages of nanofiltration or reverse osmosis. Only UF is attractive by increasing the
concentration of total solids, in concentration factors (CF) of 4 was 40%. All sterile permeate
may be concentrated and posterior used in other processes.
Keywords: vinasse, microfiltration, ultrafiltration, concentration, permeate flux.
INTRODUÇÃO
Principal efluente das destilarias de álcool, a vinhaça, apresenta um alto poder
poluidor e um volume considerável de produção. Embora apresente na sua composição
química matéria orgânica e teores consideráveis de elementos minerais, a maior
porcentagem (≈97%) é representada pela água (SILVA et al., 1983).
A aplicação da vinhaça no canavial, como fertirrigação, é uma prática muito difundida
entre as usinas e destilarias brasileiras. Freire e Cortez (2000) citam que o uso de vinhaça
traz resultados positivos na produtividade agrícola da cana, além de gerar economia com a
aquisição de fertilizantes. A normativa P4.231 (CETESB, 2006) em vigor no estado de São
Paulo, estabelece os critérios e procedimentos para a aplicação da vinhaça no solo. Por
apresentar elevado conteúdo de água, as áreas longe das destilarias sofreram restrições a
sua aplicação devido aos custos proibitivos de transporte. Assim, o setor se prepara para
transportar a vinhaça a distâncias cada vez maiores. Uma das soluções para o transporte de
grandes volumes de vinhaça é o seu uso na forma concentrada nestas áreas.
As membranas estão entre as mais importantes aplicações industriais atuais e, a
cada ano, mais finalidades são encontradas para esta tecnologia. Segundo Mulder (2003) a
maioria das aplicações dos processos de separação por membranas são para
concentração, purificação e fracionamento.
Dentro deste contexto, o objetivo deste trabalho foi o estudo da concentração da
vinhaça através da clarificação por MF seguido de UF e da UF direta.
MATERIAL E MÉTODOS
A vinhaça foi doada pela Usina Açucareira Ester S.A. e recolhida na safra de 2009
em novembro, sendo homogeneizada, envasada em sacos de 1 litro e armazenadas em
freezer (-18ºC) até o momento da sua utilização. As membranas planas poliméricas
utilizadas são da marca comercial Microdyn-Nadir (Wiesbaden, Alemanha). Na microfiltração
(MF) foi utilizada a membrana de Celulose, com massa molecular de corte de 100 kDa, na
pressão de 1,8 bar e na ultrafiltração (UF), a membrana de Celulose, de massa molecular de
corte de 10 kDa nas pressões de 3, 4 e 5 bar. As análises físico-químicas da alimentação,
permeado e retentado foram determinadas de acordo com os métodos descritos por Eaton
et al.(2005).
Os experimentos foram conduzidos no Laboratório de Medidas Físicas (LAMEFI),
DEA/FEA, Unicamp, em célula laboratorial de aço inox, com camisa, com capacidade para
até 800 mL de produto e acoplada a um cilindro de nitrogênio para fornecimento da pressão
transmembrana ( PTM ).
A amostra da vinhaça foi descongelada e aquecida em banho-maria até 60ºC. As
membranas ficaram imersas por 30 minutos em água destilada, antes de iniciar o processo,
e em seguida, foi realizada uma permeação com água destilada na unidade sob as mesmas
condições da corrida a ser realizada com a vinhaça. As microfiltrações foram conduzidas a
60ºC e 500 rpm até um fator de concentração (FC) igual a 4, sendo o seu permeado
submetido a UF até FC igual a 2. Os desempenhos das membranas foram avaliadas quanto
a retenção de sólidos totais e potássio (CR) e fluxo de permeado (J), calculados de acordo
com as respectivas equações:
CR = (1 −
Cp
Cr
).100
(1)
Onde: Cp e Cr são respectivamente, a concentração no permeado e no retentado de
um componente;
J=
mp
Ap .t
(2)
Onde: mp é a massa de permeado no tempo t e Ap é a área de permeação.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
O valor médio de pH foi de 4,0±0,1 para a alimentação, permeado e retentado.
A Figura 1 apresenta o fluxo de permeado da MF a 1,8 bar e UF a 5 bar em função
do tempo. Segundo Marshall e Daufin (1995), a curva típica de fluxo de permeado é
caracterizado por três estágios diferentes, o primeiro (I) é caracterizado por uma queda
brusca do fluxo nos primeiros minutos devido à polarização da concentração dos solutos na
superfície da membrana, no estágio II inicia-se a precipitação dos solutos acumulados, que
leva ao bloqueio dos poros e à adsorção dos componentes na membrana, ocasionando a
formação da camada polarizada e da incrustração, por fim, o terceiro estágio (III) é a
consolidação da incrustação, nesse estágio o fluxo decresce continua e lentamente. Este
fenômeno aconteceu com os dois processos, MF e UF, da vinhaça. Ambas corridas partiram
da mesma matéria-prima inicial. Observa-se que a queda de fluxo foi elevada e ambos
processos tenderam a estabilizar por volta de 40 kg/h.m².
A Figura 2 apresenta UF a pressões de 3, 4 e 5 bar realizada após a clarificação
através da MF. Independentemente da pressão utilizada na UF, houve uma tendência a um
aumento no fluxo nos primeiros minutos, ocorrendo uma estabilização do mesmo após três
minutos. Os fluxos foram elevados a FC=2 variando de 156,5 a 204,8 kg/h.m². De acordo
com Cheryan (1986), processos onde se trabalha com baixas pressões, soluções pouco
concentradas e alta velocidade tangencial, o fluxo de permeado é altamente influenciado
pela pressão. Neste caso, apesar da velocidade média ser 1 m/s, o aumento da pressão
ocasionou um aumento do fluxo, muito maior de 3 para 4 bar do que de 4 para 5 bar. O fluxo
da UF a 4 ou 5 bar pode ser considerado bastante elevado, por volta de 200 kg/h.m², em
relação à UF direta da vinhaça, cerca de 40 kg/h.m².
O coeficiente de retenção (CR) para sólidos totais na MF foi de 34%, para sódio 26%
e potássio 8%, mostrando que a camada polarizada contribuiu para retenção de compostos
de baixa massa molecular devido ao grande diâmetro do poro em relação aos minerais e
sólidos totais retidos. É provável que houve interação do sódio com outros compostos de
maior massa molecular que ficaram retidos na camada polarizada. Com relação a sólidos
dissolvidos, ocorreu uma retenção de 24%, os sólidos suspensos foram 100% retidos,
demonstrando a efetiva clarificação da vinhaça. Na UF, observou-se baixos CR, no qual
sólidos totais variaram de 7 a 10%, sódio 6 a 11% e potássio 7 a 10%. A UF a 5 bar
apresentou a melhor retenção e fluxo, isto justificou o uso desta pressão no processo de UF
sem MF. Esta maior retenção a 5 bar pode ser explicada pela maior compactação da
camada polarizada que atua como uma resistência efetiva à passagem de componentes.
Na Figura 1, também pode-se observar uma curva típica de fluxo de permeado para
UF sem MF, na pressão de 5 bar, com um fluxo de 19,3 kg/h.m² a FC=4. O fluxo na UF com
prévia MF foi bem mais elevado que a UF direta, devido à remoção dos sólidos suspensos
na MF reduzindo a incrustação e aumentando o fluxo para mais de dez vezes. Na UF direta,
a retenção de sólidos totais foi 41%, sódio 22% e potássio 23%, visto que esta membrana
apresenta muito menor massa molecular de corte comparada a de MF. Neste processo,
também houve a retenção de 100% dos sólidos suspensos e de 33% de sólidos dissolvidos.
No processo selecionado de UF com prévia MF ocorreu a concentração da
alimentação de 2,8% para uma média de retentado de 3,2%, formando um permeado de
2,3% de sólidos totais. A UF direta mostrou-se mais atrativa quanto à concentração de
sólidos totais, pois utiliza somente uma etapa e resulta em um concentrado com 4% de
sólidos totais para FC=4. Isto representa uma redução de volume de quatro vezes ao
mesmo tempo em que a concentração de sólidos totais aumenta de 2,8 para 4%,
aumentando cerca de 40%.
CONCLUSÕES
A clarificação por MF seguida de UF altera pouco a concentração de sólidos totais,
porém é bastante efetiva preparando o permeado para posterior concentração por UF a
fluxos mais elevados. Esta clarificação é interessante para posteriores etapas de
nanofiltração ou osmose inversa.
A UF direta é atrativa pelo aumento da concentração de sólidos totais, no caso a
FC=4 foi de 40%. Todos os permeados estéreis poderão ser concentrados posteriormente
ou utilizados em outros processos.
REFERÊNCIAS
CETESB, São Paulo. Norma técnica P4.231, dez/2006 – Vinhaça - critérios e procedimentos
para aplicação no solo agrícola.
CHERYAN, M. (1998) Ultrafiltration and Microfiltration Handbook. Lancaster: Technomic
Publ. Co., Ilinois, 526p.
EATON, A.D.; CLESCERI, L.S.; RICE, E.W.; GREENBERG, A.E. (2005) Standard methods
for the examination of water and wastewater.21th edn, Washington, DC : APHA.
FREIRE, W. J.; CORTEZ, L. A. B. (2000) Vinhaça de cana-de-açúcar. Guaíra: Livraria e
Editora Agropecuária.
MARSHALL, A.D.; DAUFIN, G. (1995) Physico-chemical aspects of membrane fouling by
dairy fluids. In: Fouling and Cleaning in Pressure Driven Membrane Processes. pp. 8–35.
Special Issue 9504. International Dairy Federation, Brussels.
MULDER, M. (1991) Basic principles of membrane technology. [s.i.]: Kluwer Academic
Publishers.
SILVA, L.C.F. ; ZAMBELLO Jr., E. ; ORLANDO Fº, J. ; ARRUDA Fº, H.C. (1983) Utilização
da vinhaça seca e das cinzas de caldeira como fertilizantes na cultura de cana-de-açúcar.
STAB, 1(6), 35-41.
FIGURAS
Figura 1: Fluxo de permeado da MF e da UF direta.
Figura 2: Fluxo de permeado de UF com prévia MF.